Trờng đại học Vinh Khoa vật lý --------- lê thị cúc tìm hiểu các tính chất quang của chất bán dẫn và một số linh kiện thu, phát quang thông dụng khoá luận tốt nghiệp đại học chuyên ngành vật lý chất rắn VINH, 05/2006 1 Lời cảm ơn Để hoàn thành khoá luận này, ngoài những nỗ lực của bản thân, tôi nhận đợc sự giúp đỡ chân thành của các thầy giáo, cô giáo trong khoa Vật lý và đặc biệt là sự nhiệt tình của thầy giáo Th.s. Lu Tiến Hng. Qua đây tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến thầy giáo hớng dẫn Th.s. Lu Tiến Hng, các thầy giáo, cô giáo trong khoa Vật lý, những ngời thân và bạn bè đã giúp đỡ tôi hoàn thành bài khoá luận này. Tuy nhiên, do thời gian có hạn và lần đầu tiên tiếp xúc với công việc nghiên cứu nên bản khoáluận này không tránh khỏi thiếu sót. Tôi rất mong sự đóng góp ý kiến của các thầy giáo, cô giáo và các bạn độc giả để khoá luận đạt chất lợng tốt và hoàn thiện hơn. Xin chân thành cảm ơn ! Tác giả. 2 Mở đầu Bớc sang thế kỷ thứ XXI, với tốc độ khoa học kỹ thuật phát triển nh vũ bão đòi hỏi con ngời không ngừng tìm kiếm thông tin và tìm kiếm cái mới phục vụ cho cuộc sống con ngời. Trong công cuộc tìm kiếm đó, rất nhiều vật liệu đã đ- ợc tìm ra và con ngời đã dùng chúng để chế tạo các thiết bị, máy móc hiện đại để phục vụ cho mình. Một bớc ngoặt quan trọng đó là từ đầu những năm 50 của thế kỷ trớc con ngời bắt đầu đi sâu vào nghiên cứu vật liệu bán dẫn và từ đó đã tạo ra đợc những linh kiện bán dẫn phục vụ cho nhiều lĩnh vực nh công nghệ sinh học, y học, trong công nghiệp, điện tử, đo đạc, phân tích cấu trúc vật liệu . Chính vì vậy chúng ta cần phải biết đợc những kiến thức cơ bản cũng nh các ứng dụng của vật liệu bán dẫn nh khái niệm, đặc điểm, cấu trúc vùng năng lợng, các tính chất và các loại vật liệu bán dẫn. Trong thời đại ngày nay - thời đại thông tin, để nắm bắt đợc thời đại và nâng cao đời sống của mình, con ngời đã tạo ra nhiều linh kiện quang điện từ vật liệu bán dẫn (phôtôđiốt, laser bán dẫn, LED, .). Để tạo ra đợc những linh kiện đó cần phải nắm đợc tính chất và vật liệu chế tạo nên chúng, đặc biệt ta sẽ tìm hiểu cấu tạo, nguyên tắc hoạt động, những đặc trng cơ bản cũng nh phạm vi ứng dụng của các linh kiện bán dẫn quang điện tử. Từ những lý do trên chúng tôi chọn đề tài cho luận văn này là: Tìm hiểu các tính chất quang của chất bán dẫn và một số linh kiện thu, phát quang thông dụng. Mục đích của luận văn này là trình bày một số khái niệm, tính chất cơ bản của vật liệu bán dẫn, đặc biệt đi sâu vào tìm hiểu một số tính chất quang, cũng nh cấu tạo, nguyên tắc hoạt động và các đặc trng cơ bản của một số linh kiện bán dẫn quang điển hình. Nội dung của khoá luận ngoài phần mở đầu, kết luận đợc trình bày trong 3 chơng: Chơng 1. Những kiến thức cơ bản về chất bán dẫn. Chơng 2. Tính chất quang của vật liệu bán dẫn. Chơng 3. Một số linh kiện quang bán dẫn điển hình. 3 Chơng I Những kiến thức cơ bản về chất bán dẫn 1. Khái niệm chất bán dẫn 1.1. Khái niệm Xét về mặt cấu trúc vùng năng lợng thì có thể xem chất bán dẫn là những tinh thể có cấu trúc tuần hoàn mà có miền hoá trị bị điền đầy, còn miễn dẫn bị bỏ trống hoàn toàn ở độ không tuyệt đối. ở giữa miền hoá trị và miền dẫn tồn tại một miền không chứa những mức năng lợng để điện tử có thể chiếm chỗ gọi là miền cấm và đợc ký hiệu là Eg. Thông thờng vùng cấm có độ rộng nhỏ hơn 2,5 eV ở nhiệt độ phòng. Một số vật liệu bán dẫn có độ rộng vùng cấm nh sau [1]: ở nhiệt độ phòng: Ge có Eg = 0,66 eV. Si có Eg = 1,12 eV GaAs Eg = 1,42 eV. AlAs Eg = 2,16 eV GaP Eg = 2,26 eV Hình vẽ 1.1 dới đây biểu diễn giản đồ vùng năng lợng của chất bán dẫn. Hình 1.1. Giản đồ vùng năng lợng của bán dẫn. Do độ rộng vùng cấm Eg không lớn lắm nên ở nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ không tuyệt đối, một số điện tử ở vùng hoá trị thu nhận đợc năng lợng nhiệt và nhảy lên vùng dẫn trở thành các điện tử tự do. Xét về độ dẫn điện vật liệu bán dẫn có điện trở suất nhỏ hơn vật liệu cách điện (điện môi), nhng lại lớn hơn vật liệu dẫn điện (kim loại). Điện trở suất của 4 Vùng dẫn Vùng cấm Vùng hoá trị Năng lượng của Electron . Eg vật liệu bán dẫn nằm trong khoảng từ = 10 -3 đến 10 9 [ cm] ở nhiệt độ phòng, còn kim loại có điện trở suất từ 10 -6 đến 10 -4 [ cm], điện môi có trở suất từ 10 10 đến 10 18 [ cm] [2]. Đặc điểm nổi bật của vật liệu bán dẫn là điện trở suất giảm khi nhiệt độ tăng, trong khi đó điện trở suất của kim loại tăng khi nhiệt độ tăng. Hình 1.2. Sự phụ thuộc của điện trở suất vào nhiệt độ của bán dẫn (a) và kim loại (b). 1.2. Bán dẫn đơn chất và bán dẫn hợp chất 1.2.1. Bán dẫn đơn chất Si và Ge là hai bán dẫn đơn chất quan trọng nhất. Từ những năm 1970 trở về trớc, bán dẫn Ge đã đợc sử dụng khá rộng rãi, cho đến nay vẫn đợc sử dụng vào một số công nghệ đặc biệt nh để chế tạo detecter Ge siêu sạch hay để làm hợp chất SiGe . còn bán dẫn Si thờng đợc dùng để chế tạo các linh kiện bán dẫn rời rạc và vi mạch các loại từ mật độ thấp đến mật độ cao. Ge và Si là những vật liệu thờng đợc sử dụng để chế tạo các linh kiện thu tín hiệu quang. Ví dụ: Các phôtôđiốt Si loại PIN hay APD có thể dùng để thu các tín hiệu quang trong vùng nhìn thấy và hồng ngoại gần đến bớc sóng cỡ m1 à còn các phôtôđiốt Ge có thể thu đợc tín hiệu có bớc sóng cỡ m6,1 à . 1.2.2. Các loại bán dẫn hợp chất Bán dẫn hợp chất là những bán dẫn đợc hình thành từ hai nguyên tố hoá học trở lên. Trong đó, hợp chất bán dẫn hai thành phần đợc hình thành bởi tổ hợp giữa một nguyên tố nhóm III. Thí dụ: nh Al, Ga, hay In với một nguyên tố 5 O T(k) (a) O T(k) (b) nhãm V nh P, As hay Sb. Cã 9 hîp chÊt b¸n dÉn hai thµnh phÇn lµ tæ hîp cña ba nguyªn tè b¸n dÉn nhãm III vµ ba nguyªn tè b¸n dÉn nhãm V (h×nh 1.3). Hîp chÊt b¸n dÉn hai thµnh phÇn ®îc sö dông nhiÒu trong viÖc chÕ t¹o c¸c linh kiÖn thu quang vµ ph¸t quang. H×nh 1 3. Tæ hîp 6 nguyªn tè t¹o thµnh 9 hîp chÊt b¸n dÉn hai thµnh phÇn. Hîp chÊt b¸n dÉn ba thµnh phÇn ®îc h×nh thµnh tõ hai nguyªn tè cña nhãm III víi mét nguyªn tè cña nhãm V, hoÆc tõ mét nguyªn tè cña nhãm III vµ hai nguyªn tè cña nhãm V (h×nh 1.4). VÝ dô: Al x Ga 1-x As H×nh 1.4. CÊu h×nh cña b¸n dÉn 3 thµnh phÇn Cßn c¸c hîp chÊt cña b¸n dÉn 4 thµnh phÇn ®îc h×nh thµnh tõ tæ hîp hai nguyªn tè nhãm III víi tæ hîp hai nguyªn tè nhãm V (h×nh 1.5). C¸c hîp chÊt b¸n dÉn 4 thµnh phÇn ®îc sö dông ®Ó chÕ t¹o c¸c laser b¸n dÉn vµ c¸c detector thu tÝn hiÖu quang. 6 Al P Ga As In Sb Al As Ga 1-x x Ví dụ: (Al x Ga 1-x )(As 1-y P y ) Hình 1.5. Cấu hình của bán dẫn 4 thành phần. 2. Các đặc điểm và tính chất của bán dẫn 2.1. Vùng năng lợng trong chất bán dẫn Cấu trúc vùng năng lợng của một chất rắn tinh thể chính là mối quan hệ giữa năng lợng và động lợng, về mặt toán học có thể biểu diễn bằng hệ thức E = f(k) [1]. Nh ta đã biết, tại nhiệt độ T = 0K, phổ năng lợng của bán dẫn gồm miền hoá trị chiếm đầy bởi các điện tử, còn miền dẫn bị rỗng hoàn toàn. Trong đó, mức tăng lợng cao nhất trong miền hoá trị gọi là đỉnh miền hoá trị và ký hiệu là E v . Mức năng lợng thấp nhất trong miền dẫn gọi là đáy miền dẫn, đợc ký hiệu là E c . Khoảng cách giữa đáy miền dẫn và đỉnh miền dẫn hoá trị là miền cấm, ký hiệu là Eg và có độ rộng là: E g = E c E v Trạng thái electron trong các miền năng lợng cho phép đợc xác định bởi năng lợng E và véctơ sóng ( ) zyx kkkk ,, . Sự phụ thuộc giữa năng lợng E vào véctơ sóng k trong miền năng lợng cho phép là rất phức tạp. Tại các điểm lân cận cực tiểu miền dẫn và cực đại miền hoá trị có thể xem gần đúng sự phụ thuộc có dạng bậc hai tơng ứng [3]. 7 Al Ga 1-x x P As 1-y y Đối với Electron: ( ) += n 22 2 c m2 EkE (1.1) Đối với lỗ trống: ( ) = p v m EkE 2 22 2 (1.2) Trong đó: n m , p m lần lợt là các khối lợng hiệu dụng của điện tử và lỗ trống. Si GaAs Hình 1.6. Cấu trúc vùng năng lợng của Si và GaAs Cấu trúc vùng năng lợng của bán dẫn còn có đặc điểm nữa là các vùng năng lợng gồm nhiều vùng nhỏ chồng lên nhau, tức là trong mỗi vùng năng l- ợng cho phép có thể có nhiều quy luật phụ thuộc ( ) kE khác nhau. Cực tiểu miền dẫn trong không gian véctơ sóng có thể nằm ở một điểm k = (0,0,0) hoặc nằm ở một điểm k (0,0,0) trên một phơng tinh thể nào đó. Ví dụ: GaAs có cực tiểu miền dẫn ở điểm k = (0,0,0), Si có cực tiểu miền dẫn ở một điểm trên phơng tinh thể [100] trong không gian véctơ sóng k . Ge 8 Năng lượng [ 111 ] k=(0,0,0) [ 100 ] E g E v E c [ 111 ] E g [ 100 ] E v E c Năng lượng k=(0,0,0) có cực tiểu miền dẫn ở một điểm trên phơng [111] trong không gian véctơ k . Hình 1.6 ở trên biểu diễn cấu trúc vùng năng lợng của Si và GaAs. Ngoài ra bán dẫn còn có thể phân loại theo đặc điểm cấu trúc vùng năng lợng và đợc chia làm hai loại là bán dẫn có vùng cấm trực tiếp (hay bán dẫn có vùng cấm thẳng) và bán dẫn có vùng cấm gián tiếp (còn gọi là bán dẫn có vùng cấm xiên). Bán dẫn có vùng cấm trực tiếp là loại bán dẫn mà vùng cấm của nó có đỉnh cực đại của vùng hoá trị và đáy cực tiểu của vùng dẫn nằm trên cùng một giá trị của số sóng k . Loại bán dẫn này thờng đợc sử dụng để chế tạo các linh kiện phát quang. Bán dẫn gián tiếp là loại bán dẫn có vùng cấm mà ở đó đáy của vùng dẫn và đỉnh của vùng hoá trị không nằm trên cùng một giá trị số sóng k . Hình vẽ 1.7 biểu thị sự phụ thuộc của năng lợng E vào số sóng k của hai loại bán dẫn có vùng cấm trực tiếp (GaAs) và bán dẫn có vùng cấm gián tiếp (Si). 2.2. Các loại hạt tải trong bán dẫn Nh ta đã biết, độ rộng vùng cấm của bán dẫn không lớn lắm nên khi nhiệt độ lớn hơn 0K một số điện tử có thể nhảy từ vùng hoá trị lên vùng dẫn. Khi đó ở 9 Hình 1.7. Bán dẫn có vùng cấm thẳng (GaAs) và bán dẫn có vùng cấm xiên (Si). E c Eg E v k GaAs E E c Eg E v k Si E đáy vùng dẫn sẽ xuất hiện một số điện tử gọi điện tử dẫn. Vùng hoá trị đang bị lấp đầy điện tử sẽ xuất hiện một số chỗ bị bỏ trống và gọi là lỗ trống (là các mức năng lợng bị bỏ trống, không có điện tử chiếm giữ) và mỗi lỗ trống tơng đ- ơng với một điện tích dơng. Lúc này để dễ dàng hơn, ta không xét lỗ trống vì số lợng lỗ trống sẽ ít hơn hẳn số lợng điện tử và bài toán sẽ trở nên đơn giản hơn. Khái niệm lỗ trống đợc minh hoạ bằng hình 1.8. Với định nghĩa nh trên về lỗ trống, ta có các tính chất của nó với cách ký hiệu lỗ trống thông qua chỉ số h và điện tử thông qua chỉ số e nh sau [4]: + k h = - k e. + E h (k) = - E e (k e ) + v h = v e. (1.3) + q h = - q e + m h = - m e Từ đây có thế nói rằng tất cả tính chất của lỗ trống nh một chuẩn hạt đều đợc xác định thông qua các tính chất của điện tử khi điện tử này đợc coi là một chuẩn hạt (chuẩn hạt mang ý nghĩa là một cái gì đó gần nh là một hạt). 10 Lỗ trống E Vùng dẫn k h = - k e Điện tử K k e Hình 1.8. Minh hoạ khái niệm lỗ trống thông qua hiện tượng điện tử nhảy từ vùng hoá trị (lấp đầy) lên vùng dẫn, để lại một lỗ trống trong vùng hoá trị. Vùng hoá trị E c E v